JP2019203879A - Multi-spectral gas quantification and differentiation method for optical gas imaging camera - Google Patents
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Abstract
Description
近年、赤外線(IR)光学式気体撮像(optical gas imaging : OGI)カメラは、従来の気体検出法(触媒を用いた検出器など)に比べて気体漏出の可視化に優れ、検査時間が短く、安全性が高いことから、気体漏出の検出及び監視に広く用いられる。 In recent years, infrared (IR) optical gas imaging (OGI) cameras are superior to conventional gas detection methods (such as detectors using a catalyst) in visualizing gas leakage, and have a shorter inspection time and safety. Because of its high performance, it is widely used for detection and monitoring of gas leaks.
IR OGIカメラには、実用的な定性用途に加えて定量用途も提案されている。例えば、適切な較正により、撮像されたプルーム(煙流)の気体濃度・長(濃度を経路長に沿って積分したもので、単位は例えば百万分率・メートル、すなわちppm・mである)を定量できる。気体濃度・長を気体濃度経路長(concentration path length : CPL)ともいう。 In addition to practical qualitative applications, quantitative applications have been proposed for IR OGI cameras. For example, by appropriate calibration, the gas concentration and length of the imaged plume (smoke flow) (concentration integrated over the path length, in units of parts per million meters, i.e. ppm m) Can be quantified. The gas concentration / length is also called gas concentration path length (CPL).
IR OGIは、米国環境保護庁(Environmental Protection Agency : EPA)が認識している米国の石油・ガス産業の2種類の気体漏出検出・修復(LDAR)調査方法の1つであり、もう1つはEPA21による方法である。 IR OGI is one of the two types of gas leak detection and repair (LDAR) research methods in the US oil and gas industry recognized by the US Environmental Protection Agency (EPA). This is a method according to EPA21.
この概要は、以下の詳細な説明にさらに記載するいくつかの概念を紹介するために提供される。この概要は、特許請求される主題の主要又は本質的特徴を特定することも、特許請求される主題の範囲を限定する一助として用いられることも意図していない。 This summary is provided to introduce a selection of concepts that are further described below in the detailed description. This summary is not intended to identify key or essential features of the claimed subject matter, nor is it intended to be used as an aid in limiting the scope of the claimed subject matter.
本発明の1つ以上の側面では、気体濃度・長を定量する方法は、マルチスペクトル光学式気体撮像カメラを用いて複数のピクセルを含む検出放射輝度のマルチスペクトル画像を取得する工程、複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定する工程、検出放射輝度及び推定された背景放射輝度に基づいて複数のピクセルのうちの少なくとも1つの気体濃度・長を計算する工程、及び複数の警報条件の一覧中の各警報条件が満たされる場合に警報を発する工程を含んでもよい。複数の警報条件の一覧は、気体閾値レベルを超える少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長を含んでもよい。マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、対象気体の吸収波長範囲の少なくとも一部を含む活性帯域とを含んでもよい。背景放射輝度を推定する工程は、活性帯域の検出放射輝度を参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定する工程、及びモデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定する工程を含んでもよい。 In one or more aspects of the present invention, a method for quantifying gas concentration / length includes: obtaining a multispectral image of detected radiance including a plurality of pixels using a multispectral optical gas imaging camera; Estimating at least one of the background radiances, calculating at least one gas concentration / length of the plurality of pixels based on the detected radiance and the estimated background radiance, and a plurality of alarm conditions A step of issuing an alarm when each alarm condition in the list is satisfied may be included. The list of alarm conditions may include a gas concentration / length of at least one pixel that exceeds a gas threshold level. The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera may include a reference band that is outside the absorption wavelength range of the target gas and an active band that includes at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas. Estimating the background radiance includes determining a model that relates the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band, and using the model as a calibration model in the presence or absence of the target gas. Estimating the background radiance of the active band may be included.
本発明の1つ以上の側面では、気体濃度・長定量システムはマルチスペクトル光学式気体撮像カメラ、及びマルチスペクトル光学式気体撮像カメラに接続されたプロセッサーを含んでもよい。プロセッサーは、複数のピクセルを含む画像を読み取ること、複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定すること、画像及び背景放射輝度に基づいて複数のピクセルのうちの少なくとも1つの気体濃度・長を計算すること、及び少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合、警報を発することを行ってもよい。マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、対象気体の吸収波長範囲の少なくとも一部を含む活性帯域とを含んでもよい。背景放射輝度を推定することは、活性帯域の検出放射輝度を参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定すること、及びモデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定することを含んでもよい。 In one or more aspects of the invention, the gas concentration and length determination system may include a multispectral optical gas imaging camera and a processor connected to the multispectral optical gas imaging camera. The processor reads an image including a plurality of pixels, estimates a background radiance of at least one of the plurality of pixels, a gas concentration of at least one of the plurality of pixels based on the image and the background radiance, An alarm may be issued if the length is calculated and if the gas concentration / length of at least one pixel exceeds the gas threshold level. The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera may include a reference band that is outside the absorption wavelength range of the target gas and an active band that includes at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas. Estimating the background radiance is to determine a model that relates the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band, and using the model as a calibration model, in the presence or absence of the target gas. Estimating the background radiance of the active band may be included.
本発明の1つ以上の側面では、非一時的コンピューター可読媒体は具現化されるコンピューター可読プログラムコードを内部に記憶し、コンピューター可読プログラムコードは複数のピクセルを含む画像を読み取り、複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定し、画像及び背景放射輝度に基づいて複数のピクセルのうちの少なくとも1つの気体濃度・長を計算し、かつ少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合、警報を発してもよい。マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、対象気体の吸収波長範囲の少なくとも一部を含むことができる活性帯域とを含んでもよい。背景放射輝度を推定することは、活性帯域の検出放射輝度を参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定すること、及びモデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定することを含んでもよい。 In one or more aspects of the invention, a non-transitory computer readable medium stores computer readable program code embodied therein, the computer readable program code reading an image including a plurality of pixels, And calculating a gas concentration / length of at least one of the plurality of pixels based on the image and the background radiance, and the gas concentration / length of the at least one pixel is a gas threshold level. If it exceeds, an alarm may be issued. The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera may include a reference band that is outside the absorption wavelength range of the target gas and an active band that can include at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas. Estimating the background radiance is to determine a model that relates the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band, and using the model as a calibration model, in the presence or absence of the target gas. Estimating the background radiance of the active band may be included.
その他の側面及び利点については、以下の説明及び添付の特許請求の範囲から明らかである。 Other aspects and advantages will be apparent from the following description and the appended claims.
添付の図面を参照し、本発明の側面について説明する。ただし、添付の図面は本発明の1つ以上の実施形態の特定の側面又は実装例のみを例として図示し、特許請求の範囲を限定するものではない。 Aspects of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings. The accompanying drawings, however, illustrate only certain aspects or implementations of one or more embodiments of the invention by way of example and do not limit the scope of the claims.
以下、添付の図面を参照し、本発明の具体的な実施形態について詳述する。各図で同様の構成要素は、一貫性のため同様の参照番号で示されている。 Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. Similar components in the Figures are denoted by similar reference numerals for consistency.
本発明による実施形態の以下の詳細な記載では、本発明の理解を深めるために多くの具体的な詳細を記載する。しかし、当業者にはこれらの詳細を用いずに本発明を実施できることが明らかである。他の例では、記載を不必要に複雑にしないようにするため周知の特徴を記載しない。 In the following detailed description of embodiments according to the present invention, numerous specific details are set forth in order to provide a thorough understanding of the present invention. However, it will be apparent to one skilled in the art that the present invention may be practiced without these details. In other instances, well-known features are not described in order not to unnecessarily complicate the description.
本願全体で、序数(例えば、第1、第2、第3など)はある構成要素(すなわち本願中の任意の名詞)に対する形容詞として用いられてもよい。序数の使用は構成要素の特定の順序を示唆又は付与するものでもなく、「先(before)」、「後(after)」、「1つの(single)」、及び他のそのような用語の使用などにより明示的に開示されない限り、いかなる構成要素についても1個のみの構成要素だと限定するものでもない。むしろ、序数の使用は構成要素を区別するものである。一例として、第1の構成要素は第2の構成要素とは異なり、第1の構成要素は2個以上の構成要素を包含してもよく、構成要素の順序において第2の要素よりも後(又は先)であってもよい。 Throughout this application, ordinal numbers (eg, first, second, third, etc.) may be used as adjectives for certain components (ie, any nouns in this application). The use of ordinal numbers does not imply or imply a particular order of components, but the use of “before”, “after”, “single”, and other such terms. Unless explicitly disclosed by the above, any component is not limited to only one component. Rather, the use of ordinal numbers distinguishes components. As an example, the first component is different from the second component, and the first component may include two or more components, and is later in the order of the components than the second element ( Alternatively, it may be the first).
全体として、本発明の実施形態は、カメラで撮影した画像を用いて、画像のスペクトルの少なくとも1つの活性帯域と1つの参照帯域を用いて推定した背景放射輝度を、測定放射輝度から差し引くことで、気体濃度・長を定量する方法、システム、及び非一時的コンピューター可読媒体を提供する。スペクトル範囲は、任意の適した範囲の波長を含んでもよい。1つ以上の実施形態では、3×10−6m〜5×10−6mの範囲の中赤外線(MWIR)を用いてもよい。1つ以上の実施形態では、7×10−6m〜14×10−6mの範囲の遠赤外線(LWIR)を用いてもよい。中赤外線と遠赤外線は、炭化水素ガス検出の用途に有用である。1つ以上の実施形態では、カメラは赤外線照射を感知できる光学式気体撮像カメラである。 Overall, embodiments of the present invention use an image taken with a camera to subtract the background radiance estimated using at least one active band and one reference band of the spectrum of the image from the measured radiance. , Methods, systems, and non-transitory computer-readable media for quantifying gas concentration and length are provided. The spectral range may include any suitable range of wavelengths. In one or more embodiments may be used an infrared (MWIR) within the range of 3 × 10 -6 m~5 × 10 -6 m. In one or more embodiments may be used far infrared (LWIR) in the range of 7 × 10 -6 m~14 × 10 -6 m. Mid-infrared and far-infrared are useful for hydrocarbon gas detection applications. In one or more embodiments, the camera is an optical gas imaging camera that can sense infrared radiation.
本発明の1つ以上の実施形態は、対象気体と汚染気体を区別することで誤報を減らす方法を提供する。 One or more embodiments of the present invention provide a method of reducing false alarms by distinguishing between a target gas and a contaminated gas.
図1Aは、本発明の1つ以上の実施形態による気体濃度・長定量システムを示す。光学式気体撮像(OGI)カメラ30は、1つ以上のコンピュータープロセッサー102に接続されていてもよい。1つ以上の実施形態では、OGIカメラ30は、マルチスペクトルOGIカメラである。OGIカメラ30とコンピュータープロセッサー102は、有線接続されていてもよいし、無線接続されていてもよい。1つ以上のプロセッサーは、コンピューターシステム100に含まれていてもよい。 FIG. 1A illustrates a gas concentration and length determination system according to one or more embodiments of the present invention. Optical gas imaging (OGI) camera 30 may be connected to one or more computer processors 102. In one or more embodiments, the OGI camera 30 is a multispectral OGI camera. The OGI camera 30 and the computer processor 102 may be connected by wire or may be connected wirelessly. One or more processors may be included in computer system 100.
本発明の実施形態は、使用されるプラットフォームに拘わらず、事実上あらゆる種類のコンピューターシステム100を用いて実装されてもよい。例えば、ユーザー演算装置は、本発明の1つ以上の実施形態を実行するための、1つ以上の携帯装置(例えばラップトップコンピューター、スマートフォン、パーソナル・デジタル・アシスタント、タブレットコンピューター、又は他の携帯装置)、デスクトップコンピューター、サーバー、サーバーシャーシ内のブレード、あるいは少なくとも最低限の処理能力とメモリーと入出力装置とを含む任意の他の種類の演算装置であってもよい。例えば、図1Aに示すように、コンピューターシステム100は、1つ以上のプロセッサー102と、関連メモリー104(例えばランダム・アクセス・メモリー(RAM)、キャッシュメモリー、フラッシュメモリーなど)と、1つ以上の記憶装置106(例えばハードディスク、光学式ドライブ(コンパクトディスク(CD)ドライブ又はデジタル多用途ディスク(DVD)ドライブなど)、フラッシュメモリースティックなど)、及び他の多数の構成要素及び機能を含んでいてもよい。プロセッサー102は、命令を処理するための集積回路であってもよい。例えば、プロセッサー102は、プロセッサーの1つ以上のコア又はマイクロコアであってもよい。 Embodiments of the present invention may be implemented using virtually any type of computer system 100, regardless of the platform used. For example, a user computing device can have one or more portable devices (eg, laptop computers, smartphones, personal digital assistants, tablet computers, or other portable devices) for performing one or more embodiments of the present invention. ), A desktop computer, a server, a blade in a server chassis, or any other type of computing device including at least minimal processing power, memory and input / output devices. For example, as shown in FIG. 1A, the computer system 100 includes one or more processors 102, associated memory 104 (eg, random access memory (RAM), cache memory, flash memory, etc.) and one or more storages. Device 106 (eg, hard disk, optical drive (such as a compact disk (CD) drive or digital versatile disk (DVD) drive), flash memory stick, etc.), and many other components and functions may be included. The processor 102 may be an integrated circuit for processing instructions. For example, the processor 102 may be one or more cores or microcores of the processor.
コンピューターシステム100はまた、タッチ画面、キーボード、マウス、マイクロフォン、タッチパッド、電子ペン、又は任意の他の種類の入力装置などの1つ以上の入力装置110を含んでいてもよい。また、コンピューターシステム100は、画面(例えば液晶ディスプレイ(LCD)、プラズマディスプレイ、タッチ画面、陰極線(CRT)モニター、プロジェクター、又は他の表示装置)、プリンター、外付け記憶装置、又は任意の他の出力装置などの1つ以上の出力装置108を含んでいてもよい。出力装置108のうち1つ以上は、入力装置と同一であっても異なっていてもよい。出力装置108は、気体濃度・長が気体閾値レベルを超えた場合に警報として用いることのできるライト(例えば点滅する赤色光)、警音器、ブザーなどを含んでいてもよい。出力装置は、ファクシミリ(ファックス)、電子メール、ショート・メッセージ・サービス(SMS)テキストなどを作成かつ/又は受信してもよい。1つ以上の実施形態では、予め設定した種識別閾値を超え、気体濃度・長測定値を歪めるほどのレベルの汚染気体を示し、誤報を発する場合には警報を控えてもよい。 The computer system 100 may also include one or more input devices 110, such as a touch screen, keyboard, mouse, microphone, touch pad, electronic pen, or any other type of input device. The computer system 100 may also include a screen (eg, a liquid crystal display (LCD), a plasma display, a touch screen, a cathode ray (CRT) monitor, a projector, or other display device), a printer, an external storage device, or any other output. One or more output devices 108, such as devices, may be included. One or more of the output devices 108 may be the same as or different from the input device. The output device 108 may include a light (for example, flashing red light) that can be used as an alarm when the gas concentration / length exceeds the gas threshold level, a warning sound, a buzzer, and the like. The output device may create and / or receive facsimile (fax), e-mail, short message service (SMS) text, and the like. In one or more embodiments, it may indicate a contaminated gas at a level that exceeds a preset species identification threshold and distorts the gas concentration / length measurements, and may refrain from alarming if a false alarm is issued.
図1Bは、1つ以上の実施形態に従い、コンピューターシステム100がネットワークインターフェース接続(図示せず)を介してネットワーク112(例えば、ローカル・エリア・ネットワーク(LAN)、インターネットなどのワイド・エリア・ネットワーク(WAN)、モバイルネットワーク、又は任意の他の種類のネットワーク)に接続されていてもよいことを示している。入力装置及び出力装置は、ローカル接続されていてもよいし、(例えば、プロセッサー102、メモリー104、及び記憶装置106に接続されたネットワーク112を介して)リモート接続されていてもよい。OGIカメラ30は、ネットワーク112により1つ以上のコンピュータープロセッサー102に接続されていてもよい。多くの様々な種類のコンピューターシステムが存在しており、上記の入出力装置は他の形態をとってもよい。 FIG. 1B illustrates that in accordance with one or more embodiments, the computer system 100 can connect to a network 112 (eg, a wide area network (such as a local area network (LAN), the Internet, etc.) via a network interface connection (not shown) WAN), mobile network, or any other type of network). The input device and output device may be locally connected or remotely connected (eg, via a network 112 connected to the processor 102, memory 104, and storage device 106). The OGI camera 30 may be connected to one or more computer processors 102 by a network 112. There are many different types of computer systems, and the above input / output devices may take other forms.
本発明の実施形態を実行するためのコンピューター可読プログラムコードの形態のソフトウェア命令の全体又は一部は、一時的又は永久的に、CD、DVD、記憶装置、フロッピーディスク、テープ、フラッシュメモリー、物理メモリー、又は任意の他のコンピューター可読記憶媒体などの非一時的コンピューター可読媒体に記憶されていてもよい。具体的には、ソフトウェア命令は、プロセッサー102により実行されると本発明の1つ以上の実施形態を実行するコンピューター可読プログラムコードに対応していてもよい。また、ソフトウェア命令を実行するプロセッサーにより実行される、記載されたすべての工程は、1つ以上の実施形態では回路などのハードウェアの形態であってもよい。当業者であれば、ハードウェアが特定用途向け集積回路又は他の適切な回路で構成されていてもよいことはよく理解できる。 All or part of the software instructions in the form of computer readable program code for executing the embodiments of the present invention may be temporarily or permanently stored in a CD, DVD, storage device, floppy disk, tape, flash memory, physical memory. Or a non-transitory computer readable medium, such as any other computer readable storage medium. In particular, software instructions may correspond to computer readable program code that, when executed by processor 102, performs one or more embodiments of the invention. Also, all described steps performed by a processor executing software instructions may be in the form of hardware, such as a circuit, in one or more embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the hardware may comprise an application specific integrated circuit or other suitable circuitry.
上記コンピューターシステム100の1つ以上の構成要素は、遠隔地に配置されネットワーク112で他の構成要素と接続されていてもよい。さらに、本発明の1つ以上の実施形態は、複数のノードを有する分散型システムで実施されてもよく、本発明の各部分はこの分散型システム内の異なるノードに配置されていてもよい。本発明の1つ以上の実施形態では、ノードは、個別の演算装置に対応する。あるいは、ノードは関連する物理メモリーを有するプロセッサーに対応していてもよい。あるいは、ノードは、メモリー及び/又はリソースを共有するプロセッサー又はプロセッサーのマイクロコアに対応していてもよい。 One or more components of the computer system 100 may be remotely located and connected to other components via the network 112. Furthermore, one or more embodiments of the present invention may be implemented in a distributed system having multiple nodes, and portions of the present invention may be located at different nodes within the distributed system. In one or more embodiments of the invention, a node corresponds to an individual computing device. Alternatively, the node may correspond to a processor having an associated physical memory. Alternatively, a node may correspond to a processor or processor microcore that shares memory and / or resources.
図1Cに、1つ以上の実施形態によるOGIカメラ30を示す。OGIカメラ30は、検出器32に接続されている。この検出器は、居住環境又は産業環境で通常用いられる種類のもの、例えば温度計、湿度計であってもよい。接続は有線又は無線であってもよく、ネットワーク経由の接続を含んでもよい。1つ以上の実施形態では、検出器32はOGIカメラと一体になっていてもよい。1つ以上の実施形態では、OGIカメラ30は集積回路と一体になっていてもよい。 FIG. 1C illustrates an OGI camera 30 according to one or more embodiments. The OGI camera 30 is connected to the detector 32. This detector may be of the type normally used in residential or industrial environments, for example a thermometer or a hygrometer. The connection may be wired or wireless and may include a connection via a network. In one or more embodiments, the detector 32 may be integral with the OGI camera. In one or more embodiments, the OGI camera 30 may be integrated with an integrated circuit.
1つ以上の実施形態では、OGIカメラ30を用いて、特に商業環境、産業環境、海洋環境、居住環境、又は農村環境から気体濃度・長を定量するために画像を取り込んでもよい。 In one or more embodiments, the OGI camera 30 may be used to capture images for quantifying gas concentration and length, particularly from commercial, industrial, marine, residential, or rural environments.
図2に、1つ以上の実施形態によるOGIによる気体漏出の撮影と、気体濃度・長(濃度を厚さ又は長さで積分したもので、単位は例えば百万分率・メートル、すなわちppm・m)の定量の物理的根拠(放射伝達モデルとして知られている)の模式図を示す。OGIカメラ30は、対象気体の吸収帯の少なくとも一部を通す、少なくとも1個の長波長透過フィルターを備えていてもよい。OGIカメラ30は、対象気体の吸収帯を通さない参照帯域長波長透過フィルターも装えていてもよい。長波長透過フィルターは、特定の波長を超える光を透過する。1つ以上の実施形態では、OGIカメラ30は、異なる種類のフィルター、例えば短波長透過フィルター又は帯域透過フィルターを備えていてもよい。対象気体は、例えばメタン、六フッ化硫黄、一酸化炭素、及び二酸化炭素であってもよい。これらの対象気体の1つ以上を例えば石油・ガス産業の環境で検出することができる。しかし、本発明の1つ以上の実施形態を例えば住居環境を含む他の環境に応用することもできる。 FIG. 2 shows the imaging of gas leakage by OGI according to one or more embodiments and the gas concentration / length (concentration integrated by thickness or length, for example, parts per million / meter, ie, ppm · 1 shows a schematic diagram of the physical basis of m) quantification (known as a radiative transfer model). The OGI camera 30 may include at least one long wavelength transmission filter that passes at least a part of the absorption band of the target gas. The OGI camera 30 may also be equipped with a reference band long wavelength transmission filter that does not pass through the absorption band of the target gas. The long wavelength transmission filter transmits light exceeding a specific wavelength. In one or more embodiments, the OGI camera 30 may include different types of filters, such as short wavelength transmission filters or band transmission filters. The target gas may be, for example, methane, sulfur hexafluoride, carbon monoxide, and carbon dioxide. One or more of these target gases can be detected, for example, in the environment of the oil and gas industry. However, one or more embodiments of the present invention may be applied to other environments including, for example, residential environments.
図2に示すように、背景10からの放射輝度40、Lb(λ)(λは放射波長を示す)は、気体プルーム20を通過する。背景放射輝度40の強さは、気体吸収により弱まる場合がある。気体プルーム20による吸収は、透過率係数τp(λ)により特徴づけられてもよく、したがってOGIカメラ30に到達する透過した放射輝度50は、Lb(λ)τp(λ)になる。透過率係数τp(λ)は、ランバート・ベールの法則によって気体濃度・長γに関連する:τp(λ)=exp(−γα(λ))。ここで、吸光度スペクトルα(λ)は、各気体種に固有のものであり既知である。 As shown in FIG. 2, the radiance 40, L b (λ) (λ indicates the radiation wavelength) from the background 10 passes through the gas plume 20. The intensity of the background radiance 40 may be weakened by gas absorption. Absorption by the gas plume 20 may be characterized by a transmittance coefficient τ p (λ), so the transmitted radiance 50 reaching the OGI camera 30 will be L b (λ) τ p (λ). The transmittance coefficient τ p (λ) is related to the gas concentration / length γ by Lambert-Beer's law: τ p (λ) = exp ( −γ α (λ)). Here, the absorbance spectrum α (λ) is unique to each gas species and is known.
一方、本発明の1つ以上の実施形態では、赤外線を吸収する気体プルーム20は、熱エネルギー60も放射する。これは、気体の温度(Tp)における黒体放射(プランク関数)B(Tp,λ)と、気体の放射率(1−τp)との積により特徴づけられる。したがって、1つ以上の実施形態では、OGIカメラ30は、式(1)で与えられる気体プルーム20による吸収により調節された背景放射輝度Lb(λ)を記録する。
気体プルーム20と背景40の相対的温度差に応じて、気体プルーム20を画像内の背景40に対して暗コントラスト又は明コントラストとして可視化してもよい。 Depending on the relative temperature difference between the gas plume 20 and the background 40, the gas plume 20 may be visualized as dark contrast or light contrast with respect to the background 40 in the image.
方程式(1)でLb(λ)及びB(Tp,λ)が分かっていると仮定すると、簡略化された放射伝達方程式(1)により透過率係数τp(λ)の定量、ひいては気体プルーム20の濃度・長定量の物理的原理も得ることができる。B(Tp,λ)は、気体プルーム20の温度を測定しプランク関数を用いて計算することにより容易に求められる。したがって、背景放射輝度Lb(λ)を求めることは、光学式気体撮像(OGI)における気体濃度・長定量にとって重要な課題である。 Assuming that L b (λ) and B (T p , λ) are known in equation (1), the simplified radiative transfer equation (1) determines the permeability coefficient τ p (λ) and thus gas The physical principle of the concentration / length determination of the plume 20 can also be obtained. B (T p , λ) is easily obtained by measuring the temperature of the gas plume 20 and calculating it using a Planck function. Therefore, obtaining the background radiance L b (λ) is an important issue for gas concentration / length determination in optical gas imaging (OGI).
本発明の1つ以上の実施形態では、光学的気体映像で背景放射輝度を推定する方法は、複数のフィルターと機械学習技術、及びそれに基づく気体濃度・長の定量処理を用いるマルチスペクトルの手法を採用してもよい。この方法では、背景画像を解析的に生成してもよい。 In one or more embodiments of the present invention, a method for estimating background radiance with optical gas images comprises a multispectral technique using multiple filters and machine learning techniques, and gas concentration / length quantification processing based thereon. It may be adopted. In this method, the background image may be generated analytically.
したがって、本発明の1つ以上の実施形態は、気体プルームの存在下で背景放射輝度を推定し、気体濃度・長を定量することができるという利点を有することができる。本発明の1つ以上の実施形態が広範な環境条件下で信頼性の高い背景放射輝度推定を提供できるのは有利である。 Thus, one or more embodiments of the present invention can have the advantage that the background radiance can be estimated in the presence of a gas plume and the gas concentration and length can be quantified. Advantageously, one or more embodiments of the present invention can provide reliable background radiance estimation under a wide range of environmental conditions.
図3は、1つ以上の実施形態によるマルチスペクトル法を用いる背景放射輝度推定に基づく気体濃度・長を定量する方法を記載するフローチャートである。本発明の1つ以上の実施形態では、図3に示す工程の1つ以上を省くか、繰り返してもよいし、追加の工程を行ってもよい。したがって、本発明の範囲が図3に示す特定の順序の工程に限定されるものと考えるべきではない。 FIG. 3 is a flowchart describing a method for quantifying gas concentration and length based on background radiance estimation using a multispectral method according to one or more embodiments. In one or more embodiments of the present invention, one or more of the steps shown in FIG. 3 may be omitted or repeated, or additional steps may be performed. Therefore, the scope of the present invention should not be considered limited to the specific sequence of steps shown in FIG.
工程310では、画像を取得する。この画像は、プルームを含んでいてもよいし、含んでいなくてもよい。1つ以上の実施形態では、この画像はOGIカメラにより取得された赤外線画像であってもよい。説明を明確にし、この画像を他の画像と区別するため、以下この画像を赤外線(IR)画像と呼ぶ。ただし、この用語は画像を赤外線に限定することを意図するものではない。他の放射波長の画像が包含されてもよいことは容易にわかる。1つのIR画像が取得されてもよいし、一連のIR画像が取得されてもよいし、一連のビデオ画像フレームも同様である。IR画像の画素の輝度をOGIカメラの既知の較正データを用いて較正し、その場面の温度と放射輝度値のいずれかを示してもよい。 In step 310, an image is acquired. This image may or may not contain a plume. In one or more embodiments, this image may be an infrared image acquired by an OGI camera. In order to clarify the explanation and distinguish this image from other images, this image will be referred to as an infrared (IR) image hereinafter. However, this term is not intended to limit the image to infrared. It will be readily appreciated that images of other emission wavelengths may be included. One IR image may be acquired, a series of IR images may be acquired, and a series of video image frames is the same. The brightness of the pixels of the IR image may be calibrated using known calibration data of the OGI camera to indicate either the temperature or radiance value of the scene.
工程320では、本方法は、シミュレーションデータ及び/又は実験測定値から導き出した解析モデルを用いて背景放射輝度を推定する。背景放射輝度推定は、既知の大気温度、背景温度、背景反射性、及び類似の環境パラメーターの入力に基づいてもよい。背景放射輝度推定のための解析モデルは、様々な背景材料の熱特性及び広範な環境条件についての、背景場面からの個別の帯域積分放射輝度のシミュレーションデータ又は実験測定データに関する機械学習を用いて導き出されてもよい。本明細書の背景場面は、対象気体又は汚染気体がない背景画像を指す。熱特性は、反射率、放射率などを含んでもよい。環境条件は、背景材料の温度、大気温度、背景材料と大気の温度差、日光条件などを含んでもよい。 In step 320, the method estimates the background radiance using an analytical model derived from simulation data and / or experimental measurements. Background radiance estimation may be based on inputs of known atmospheric temperature, background temperature, background reflectivity, and similar environmental parameters. Analytical models for background radiance estimation were derived using machine learning on individual band-integrated radiance simulation data or experimental measurement data from background scenes for various background material thermal properties and a wide range of environmental conditions. May be. The background scene herein refers to a background image that is free of target gas or polluted gas. Thermal properties may include reflectivity, emissivity, and the like. Environmental conditions may include background material temperature, atmospheric temperature, temperature difference between the background material and the atmosphere, sunlight conditions, and the like.
工程330では、本方法は、赤外線画像データと推定背景放射輝度を用いて各ピクセルの気体濃度・長を計算する。1つ以上の実施形態では、気体温度を温度計で測定してもよく、あるいは外気温度と同じであるものと想定してもよい。 In step 330, the method calculates the gas concentration / length of each pixel using the infrared image data and the estimated background radiance. In one or more embodiments, the gas temperature may be measured with a thermometer or assumed to be the same as the outside air temperature.
気体濃度・長の計算は、上記の放射伝達モデルに基づいてもよく、国際特許第WO2017104607A1号に開示される手順を用いてもよい。 The calculation of the gas concentration / length may be based on the above radiative transfer model, or may use the procedure disclosed in International Patent Publication No. WO2017104607A1.
工程340では、本方法は、対象気体と少なくとも1つの汚染気体を識別する。 In step 340, the method identifies a target gas and at least one contaminated gas.
1つ以上の実施形態では、図3のフローチャートを参照して説明している方法は、映像ストリームで生成することができるものなど、複数の画像を処理するために工程310〜350を複数回繰り返してもよい。 In one or more embodiments, the method described with reference to the flowchart of FIG. 3 repeats steps 310-350 multiple times to process multiple images, such as those that can be generated in a video stream. May be.
工程350では、本方法は、少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合に警報を発する。警報は、多くの形態をとってもよく、複数の形態を含んでもよい。警報の形態の1つは、ユーザー制御盤表面の色付きライト(例えば赤色光)であってもよい。このライトは、点灯及び/又は点滅してもよい。警報は、音によるもの、例えばベル、サイレン、警笛などであってもよい。警報は、電子メール、ファックス、ショートメッセージシステム(SMS)のテキストメッセージ、電話通信などであってもよい。警報をコンピューター画面、携帯装置、携帯電話などに表示してもよい。警報を1つ以上の場所及び/又は一人以上のユーザーに提供してもよい。警報を有線及び/若しくは無線のシステム若しくはネットワーク経由で送信してもよい。警報の宛先を、ユーザー及び/又は警報に応答して1つ以上の機能を自動的に実行することができる別の装置にしてもよい。 In step 350, the method issues an alarm if the gas concentration / length of at least one pixel exceeds a gas threshold level. The alarm may take many forms and may include multiple forms. One form of alarm may be a colored light (eg, red light) on the surface of the user control board. This light may be lit and / or flashing. The alarm may be a sound, for example, a bell, a siren, a horn or the like. The alert may be an email, fax, short message system (SMS) text message, telephone communication, and the like. The alarm may be displayed on a computer screen, a mobile device, a mobile phone, or the like. An alert may be provided to one or more locations and / or one or more users. The alarm may be transmitted via a wired and / or wireless system or network. The alert destination may be another device that can automatically perform one or more functions in response to a user and / or alert.
図4〜図6は、図3の工程320のように解析モデルを用いる背景放射輝度推定の処理のシミュレーション例を表す。図4は、1つ以上の実施形態におけるメタン(CH4)440と水蒸気(H2O)450の透過率スペクトルのシミュレーションを表す。中赤外線(MWIR)マルチスペクトルOGIの三帯域構成で用いることができる3個の長波長透過フィルター410、420、430も示す。この場合の三帯域構成は、マルチスペクトル構成の一例である。当業者には、マルチスペクトル構成が2つ以上の帯域を含んでもよいことが容易に分かる。3つの長波長透過フィルターを用いて3つの帯域を構成することができる。第1の活性帯域は、フィルター410で透過する帯域からフィルター430で透過する帯域を差し引いた帯域として表すことができる。同様に、第2の活性帯域は、フィルター420で透過する帯域からフィルター430で透過する帯域を差し引いた帯域として表すことができる。参照帯域は、フィルター430で透過する帯域である。参照帯域は、対象気体(本例ではメタン440)の吸収波長範囲の外側にあるものとして表すことができる。本開示では、「吸収波長範囲の外側にある」という用語は、吸収が全くない領域を指すものではなく、比較的少ない量の吸収のみが当該領域で生じる場合がある。当業者は、そのような見解を容易に理解できる。
1つ以上の実施形態では、図2と同様の背景放射輝度を式(2)で与えられるようにシミュレートすることができる。
Lb(λ) = ρb(λ)B(λ,Ta) + (1−ρb(λ))B(λ,Tb) (2)
式中、ρb、Ta、及びTbは、それぞれ背景材料の反射率、大気温度、及び背景材料温度である。したがって、背景放射輝度は、背景から反射される大気放射輝度及び背景から直接発せられる放射輝度の寄与を含む場合がある。いくつかの例で、背景は、壁若しくは空、又は任意の他の対象であってもよい。
4 to 6 show simulation examples of background radiance estimation processing using an analysis model as in step 320 of FIG. FIG. 4 represents a simulation of the transmittance spectrum of methane (CH 4 ) 440 and water vapor (H 2 O) 450 in one or more embodiments. Also shown are three long wavelength transmission filters 410, 420, 430 that can be used in a mid-infrared (MWIR) multispectral OGI three-band configuration. The three-band configuration in this case is an example of a multispectral configuration. Those skilled in the art will readily appreciate that a multispectral configuration may include more than one band. Three bands can be constructed using three long wavelength transmission filters. The first active band can be expressed as a band obtained by subtracting the band transmitted through the filter 430 from the band transmitted through the filter 410. Similarly, the second active band can be expressed as a band obtained by subtracting the band transmitted through the filter 430 from the band transmitted through the filter 420. The reference band is a band that passes through the filter 430. The reference band can be represented as being outside the absorption wavelength range of the target gas (methane 440 in this example). In the present disclosure, the term “outside the absorption wavelength range” does not refer to a region where there is no absorption at all, and only a relatively small amount of absorption may occur in that region. Those skilled in the art can easily understand such views.
In one or more embodiments, a background radiance similar to that of FIG. 2 can be simulated as given by equation (2).
L b (λ) = ρ b (λ) B (λ, T a ) + (1−ρ b (λ)) B (λ, T b ) (2)
Where ρ b , T a , and T b are the background material reflectivity, atmospheric temperature, and background material temperature, respectively. Thus, background radiance may include contributions of atmospheric radiance reflected from the background and radiance emitted directly from the background. In some examples, the background may be a wall or sky, or any other object.
単帯域又は多帯域のOGIシステムでは、個別の帯域で検出される放射輝度を式(3)で与えられるように表すことができる。
図5A〜図5Bは、背景温度Tbの範囲、及び外気と背景材料の様々な温度差ΔTabに対する、活性帯域と参照帯域の間の放射輝度比Loff_active/Loff_referenceの例示的なシミュレーションを、背景反射率の2つの値ρb=0.1(図5A)とρb=0.9(図5B)について提供する。ここで、下付き文字「off」は、気体が存在しないことを意味する。2つの活性帯域である帯域1(510、511)と帯域2(520、521)が、温度差ΔTabの範囲に対して示されており、より大きな温度差は、各曲線510、511、520、及び521の上端に現れている。 5A-5B illustrate exemplary simulations of the radiance ratio L off_active / L off_reference between the active band and the reference band for a range of background temperature T b and various temperature differences ΔT ab between ambient air and background material. Provided for two values of background reflectance ρ b = 0.1 (FIG. 5A) and ρ b = 0.9 (FIG. 5B). Here, the subscript “off” means that no gas is present. Two active bands, band 1 (510, 511) and band 2 (520, 521) are shown for a range of temperature differences ΔT ab , with larger temperature differences being shown for each curve 510, 511, 520. , And at the top of 521.
1つ以上の実施形態では、機械学習を図5A及び図5Bのようなシミュレーションデータに対して実行して、n番目の活性帯域の放射輝度及び参照帯域の放射輝度に関する解析モデルを導き出してもよい。機械学習の例としては、線形回帰を含む回帰及びニューラルネットワークが挙げられる。1つ以上の実施形態では、解析モデルは式(4)で与えられてもよい。
Loff_active(n)= [C0 + C1・Tb + C2・(ρbΔTab)]・Loff_ref (4)
式中、C0、C1、及びC2は、シミュレーションデータの機械学習で求めたモデルパラメーターである。
In one or more embodiments, machine learning may be performed on the simulation data as in FIGS. 5A and 5B to derive an analytical model for the radiance of the nth active band and the radiance of the reference band. . Examples of machine learning include regression and neural networks including linear regression. In one or more embodiments, the analytical model may be given by equation (4).
L off_active (n) = [C 0 + C 1 · T b + C 2 · (ρ b ΔT ab )] · L off_ref (4)
In the equation, C0, C1, and C2 are model parameters obtained by machine learning of simulation data.
図6は、学習データで用いられる異なる材料条件及び環境条件の下でプランクの法則に基づいて数値結果と比較される、参照帯域の放射輝度に基づいて、2つの活性帯域(帯域1(610)及び帯域2(620))について、1つ以上の実施形態による解析モデルで推定した背景放射輝度を表す。 FIG. 6 shows two active bands (band 1 (610)) based on the radiance of the reference band compared to numerical results based on Planck's law under different material and environmental conditions used in the learning data. And band 2 (620)) represents the background radiance estimated with the analytical model according to one or more embodiments.
1つ以上の実施形態では、気体信号パラメーターΔLは、各活性帯域に対ついて、式(5)に与えられるように規定される。
ΔL = Loff − Lon (5)
式中、Loffは、各活性帯域で推定された背景放射輝度であり、Lonは、気体の存在下で活性帯域において検出された放射輝度である。2つの活性帯域の相対的比ΔL(すなわちΔLband1/ΔLband2)を特徴パラメーターとして用いて、この特徴パラメーターを事前設定した種識別閾値と比較することで、対象気体と誤報種(すなわち汚染種)を識別してもよい。
In one or more embodiments, the gas signal parameter ΔL is defined as given in equation (5) for each active band.
ΔL = L off − L on (5)
Where L off is the background radiance estimated in each active band and L on is the radiance detected in the active band in the presence of gas. Using the relative ratio ΔL of the two active bands (ie, ΔL band1 / ΔL band2 ) as a feature parameter, and comparing this feature parameter with a preset species identification threshold, the target gas and the falsely reported species (ie, contaminating species) May be identified.
識別特徴パラメーターの種識別閾値を、関連誤報種毎にOGIシステムで事前設定する必要がある。これらの種識別閾値を理論的シミュレーション又は実験較正により求めてもよい。 It is necessary to preset the species identification threshold of the identification feature parameter in the OGI system for each related misinformation type. These species discrimination thresholds may be determined by theoretical simulation or experimental calibration.
図7に、広範な気体濃度と環境条件でのメタン740と水蒸気720のシミュレーション値ΔLband1/ΔLband2を示す。この例では、背景温度はTbであり、図4で選択された三帯域構成に基づく気体種の温度はTであり、これに対応するメタン740と水蒸気720を識別する例示的な種識別閾値は、2.4(760)である。 FIG. 7 shows simulation values ΔL band1 / ΔL band2 of methane 740 and water vapor 720 over a wide range of gas concentrations and environmental conditions. In this example, the background temperature is T b , the temperature of the gas species based on the three-band configuration selected in FIG. 4 is T, and an exemplary species identification threshold that identifies the corresponding methane 740 and water vapor 720. Is 2.4 (760).
本発明の1つ以上の実施形態では、気体濃度・長定量システムは、プロセッサー102に接続されたOGIカメラ30を含んでもよい。プロセッサー102は、上記の気体濃度・長の定量方法の複数の変形例のうちの1つ以上を実行して気体濃度・長を提供し、背景放射輝度を推定し、及び/又は誤報を低減してもよい。 In one or more embodiments of the invention, the gas concentration and length determination system may include an OGI camera 30 connected to the processor 102. The processor 102 performs one or more of a plurality of variations of the gas concentration / length quantification method described above to provide the gas concentration / length, estimate background radiance, and / or reduce false alarms. May be.
1つ以上の実施形態では、プロセッサーは、演算装置に組み込まれていてもよい。演算装置は、携帯コンピューター装置(例えばスマートフォン、タブレットコンピューター、ラップトップコンピューター、電子書籍端末など)、デスクトップパーソナルコンピューター(PC)、キオスク端末、サーバー、メインフレーム、セットトップボックスなどであってもよい。各演算装置は、ユーザーにより操作されてもよく、1つ以上のグラフィカル・ユーザー・インターフェース(GUI)を用いて、気体濃度・長、背景放射輝度推定値、及び/又は背景温度推定値を計算し、かつ/又は情報をユーザーに表示するようユーザーからの要求を作成してもよい。ユーザーの要求は、計算されたデータの出力場所(例えば表示装置、格納場所、プリンターなど)を指定してもよい。1つ以上の実施形態では、演算装置の様々な要素を組み合わせて一つの要素を作成してもよい。同様に、1つの要素により実行される機能を2つ以上の要素により実行してもよい。 In one or more embodiments, the processor may be incorporated into a computing device. The computing device may be a portable computer device (for example, a smartphone, a tablet computer, a laptop computer, an electronic book terminal, etc.), a desktop personal computer (PC), a kiosk terminal, a server, a main frame, a set top box, or the like. Each computing device may be operated by a user and uses one or more graphical user interfaces (GUIs) to calculate gas concentration / length, background radiance estimate, and / or background temperature estimate. And / or a request from the user may be created to display information to the user. The user request may specify the output location (eg, display device, storage location, printer, etc.) of the calculated data. In one or more embodiments, various elements of the computing device may be combined to create a single element. Similarly, a function performed by one element may be performed by two or more elements.
1つ以上の実施形態では、演算装置は、互いに接続された複数の演算装置を含んでもよい。 In one or more embodiments, the computing device may include multiple computing devices connected to each other.
1つ以上の実施形態では、OGIカメラは、演算装置とも一体になっていてもよい。 In one or more embodiments, the OGI camera may be integrated with the computing device.
赤外線(IR)光学式気体撮像(OGI)カメラで取得した1つ以上の画像を処理及び保存するために、複数のユーザー演算装置のうちの少なくとも1つに転送してもよい。 One or more images acquired with an infrared (IR) optical gas imaging (OGI) camera may be transferred to at least one of a plurality of user computing devices for processing and storage.
1つ以上の実施形態では、気体濃度・長定量システムは、所定の背景放射輝度計算モデルを含んでもよい。このモデルをカメラやコンピューターシステムに保存し、モデルにネットワークや入力装置経由でアクセスし、又は任意の他の手段でシステムが利用できるようにしてもよい。 In one or more embodiments, the gas concentration and length determination system may include a predetermined background radiance calculation model. This model may be stored in a camera or computer system, accessed through a network or input device, or made available to the system by any other means.
1つ以上の実施形態では、気体濃度・長定量システムは、所定の背景放射輝度計算モデルを用いて、環境パラメーター及び/又は背景材料パラメーターと、参照帯域内で測定した放射輝度に基づいて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を計算してもよい。ユーザーがパラメーターを入力してもよい。 In one or more embodiments, the gas concentration and length quantification system uses a predetermined background radiance calculation model, and based on environmental and / or background material parameters and radiance measured within a reference band. The background radiance of the active band may be calculated in the presence or absence of gas. The user may enter parameters.
本発明の実施形態を実行するためのコンピューター可読プログラムコードの形態のソフトウェア命令の全体又は一部は、一時的又は永久的に、CD、DVD、記憶装置、フロッピーディスク、テープ、フラッシュメモリー、物理メモリー、又は任意の他のコンピューター可読記憶媒体などの非一時的コンピューター可読媒体に記憶されていてもよい。具体的には、ソフトウェア命令は、プロセッサーにより実行されると本発明の1つ以上の実施形態を実行するコンピューター可読プログラムコードに対応していてもよい。また、ソフトウェア命令を実行するプロセッサーにより実行される、考察したすべての工程は、1つ以上の実施形態では回路などのハードウェアの形態であってもよい。当業者であれば、ハードウェアが特定用途向け集積回路又は他の適切な回路で構成されてもよいことを理解できる。 All or part of the software instructions in the form of computer readable program code for executing the embodiments of the present invention may be temporarily or permanently stored in a CD, DVD, storage device, floppy disk, tape, flash memory, physical memory. Or a non-transitory computer readable medium, such as any other computer readable storage medium. Specifically, the software instructions may correspond to computer readable program code that, when executed by a processor, performs one or more embodiments of the invention. Also, all contemplated processes performed by a processor executing software instructions may be in the form of hardware, such as a circuit, in one or more embodiments. Those skilled in the art will appreciate that the hardware may be comprised of an application specific integrated circuit or other suitable circuitry.
さらに、上記演算装置の1つ以上の構成要素は、遠隔地に配置されネットワーク経由で他の構成要素と接続されていてもよい。さらに、本発明の1つ以上の実施形態は、複数のノードを有する分散型システムで実施されてもよく、本発明の各部分は、この分散型システム内の異なるノードに配置されていてもよい。本発明の1つ以上の実施形態では、ノードは、個別の演算装置に対応する。あるいは、ノードは関連する物理メモリーを有するプロセッサーに対応していてもよい。あるいは、ノードは、メモリー及び/又はリソースを共有するプロセッサー又はプロセッサーのマイクロコアに対応していてもよい。 Furthermore, one or more components of the arithmetic device may be arranged in a remote place and connected to other components via a network. Further, one or more embodiments of the present invention may be implemented in a distributed system having multiple nodes, and portions of the present invention may be located at different nodes within the distributed system. . In one or more embodiments of the invention, a node corresponds to an individual computing device. Alternatively, the node may correspond to a processor having an associated physical memory. Alternatively, a node may correspond to a processor or processor microcore that shares memory and / or resources.
1つ以上の実施形態では、非一時的コンピューター可読媒体(non-transitory computer readable medium、CRM)は、具現化されるコンピューター可読プログラムコードを内部に記憶してもよい。このコンピューター可読プログラムコードは、複数のピクセルを含む画像を読み取り、背景放射輝度を推定し、気体濃度・長を計算し、かつ気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合に警報を発する。背景放射輝度を推定することは、環境パラメーター及び背景材料パラメーターの入力を受信すること、及び非一時的コンピューター可読媒体に保存された背景放射輝度計算モデルを用いて、環境パラメーター及び/又は背景材料パラメーターと、参照帯域内で測定された放射輝度に基づいて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を計算することを含む。 In one or more embodiments, a non-transitory computer readable medium (CRM) may store computer readable program code embodied therein. The computer readable program code reads an image containing a plurality of pixels, estimates background radiance, calculates gas concentration / length, and issues an alarm if the gas concentration / length exceeds a gas threshold level. Estimating the background radiance includes receiving environmental parameters and background material parameter inputs, and using a background radiance calculation model stored in a non-transitory computer readable medium, And calculating the background radiance of the active band in the presence or absence of the gas of interest based on the radiance measured in the reference band.
スペクトルのうち赤外線部分に関して本発明の1つ以上の実施形態を記載したが、当業者であれば、本発明に開示された方法を他の波長の放射にも応用できることが容易に分かる。 Although one or more embodiments of the present invention have been described with respect to the infrared portion of the spectrum, one of ordinary skill in the art will readily appreciate that the methods disclosed in the present invention can be applied to radiation of other wavelengths.
限られた数の実施形態に関して本発明を記載したが、本開示の利益を受ける当業者は、本明細書に開示された発明の範囲から逸脱することなく他の実施形態を考案できることが分かる。したがって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲のみにより限定されるべきである。 Although the present invention has been described with respect to a limited number of embodiments, those skilled in the art having the benefit of this disclosure will appreciate that other embodiments can be devised without departing from the scope of the invention disclosed herein. Accordingly, the scope of the invention should be limited only by the attached claims.
本発明の1つ以上の側面では、コンピューターに所定の処理を実行させるプログラムにおける当該処理は、マルチスペクトル光学式気体撮像カメラにより撮像された、複数のピクセルを含む画像を読み取ること、複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定し、画像及び背景放射輝度に基づいて複数のピクセルのうちの少なくとも1つの気体濃度・長を計算すること、及び少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合、警報を発することを含んでいてもよい。マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、対象気体の吸収波長範囲の少なくとも一部を含むことができる活性帯域とを含んでもよい。背景放射輝度を推定することは、活性帯域の検出放射輝度を参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定すること、及びモデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定することを含んでもよい。 In one or more aspects of the present invention, the processing in the program for executing a predetermined processing on the computer, captured by multispectral optical gas imaging camera, reading an image including a plurality of pixels Rukoto, a plurality of pixels At least one of estimating the background radiance, calculating at least one gas the concentration-length of the plurality of pixels based on the image and background radiance, and gas concentration, length of at least one pixel of the exceed the gas threshold level may include that originating the alarm. The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera may include a reference band that is outside the absorption wavelength range of the target gas and an active band that can include at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas. Estimating the background radiance is to determine a model that relates the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band, and using the model as a calibration model, in the presence or absence of the target gas. Estimating the background radiance of the active band may be included.
1つ以上の実施形態では、プロセッサーは、演算装置に組み込まれていてもよい。演算装置は、携帯コンピューター装置(例えばスマートフォン、タブレットコンピューター、ラップトップコンピューター、電子書籍端末など)、デスクトップパーソナルコンピューター(PC)、キオスク(登録商標)端末、サーバー、メインフレーム、セットトップボックスなどであってもよい。各演算装置は、ユーザーにより操作されてもよく、1つ以上のグラフィカル・ユーザー・インターフェース(GUI)を用いて、気体濃度・長、背景放射輝度推定値、及び/又は背景温度推定値を計算し、かつ/又は情報をユーザーに表示するようユーザーからの要求を作成してもよい。ユーザーの要求は、計算されたデータの出力場所(例えば表示装置、格納場所、プリンターなど)を指定してもよい。1つ以上の実施形態では、演算装置の様々な要素を組み合わせて一つの要素を作成してもよい。同様に、1つの要素により実行される機能を2つ以上の要素により実行してもよい。 In one or more embodiments, the processor may be incorporated into a computing device. Arithmetic devices are portable computer devices (for example, smart phones, tablet computers, laptop computers, electronic book terminals, etc.), desktop personal computers (PCs), kiosks (registered trademark) terminals, servers, mainframes, set top boxes, etc. Also good. Each computing device may be operated by a user and uses one or more graphical user interfaces (GUIs) to calculate gas concentration / length, background radiance estimate, and / or background temperature estimate. And / or a request from the user may be created to display information to the user. The user request may specify the output location (eg, display device, storage location, printer, etc.) of the calculated data. In one or more embodiments, various elements of the computing device may be combined to create a single element. Similarly, a function performed by one element may be performed by two or more elements.
Claims (23)
マルチスペクトル光学式気体撮像カメラを用いて複数のピクセルを含む検出放射輝度のマルチスペクトル画像を取得する工程、
前記複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定する工程、
前記検出放射輝度及び前記推定された背景放射輝度に基づいて前記複数のピクセルのうちの前記少なくとも1つの気体濃度・長を計算する工程、及び
気体閾値レベルを超える少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長を含む、複数の警報条件の一覧中の各警報条件が満たされる場合に警報を発する工程を含み、
前記マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、前記対象気体の前記吸収波長範囲の少なくとも一部を含む活性帯域とを含み、
前記背景放射輝度を推定する工程は、
前記活性帯域の検出放射輝度を前記参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定する工程、及び
前記モデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定する工程を含む、方法。 A method for quantifying gas concentration and length,
Obtaining a multispectral image of detected radiance comprising a plurality of pixels using a multispectral optical gas imaging camera;
Estimating a background radiance of at least one of the plurality of pixels;
Calculating the gas concentration / length of the at least one of the plurality of pixels based on the detected radiance and the estimated background radiance; and the gas concentration / length of at least one pixel exceeding a gas threshold level Including a step of issuing an alarm when each alarm condition in a list of a plurality of alarm conditions is satisfied,
The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera includes a reference band that is outside an absorption wavelength range of a target gas and an active band that includes at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas;
The step of estimating the background radiance includes
Determining a model relating the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band; and using the model as a calibration model, the background radiance of the active band in the presence or absence of the target gas Estimating the method.
前記複数の活性帯域及び前記参照帯域は、活性帯域の数より1つ多い複数の長波長透過フィルターを用いて決定され、
前記複数の活性帯域のそれぞれは、前記参照帯域を含み、
前記複数の活性帯域は、第1の活性帯域を含み、前記第1の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第1の長波長透過フィルターと参照長波長透過フィルターの第1の差である、請求項1に記載の方法。 The multispectral configuration includes a plurality of active bands;
The plurality of active bands and the reference band are determined using a plurality of long wavelength transmission filters, one more than the number of active bands,
Each of the plurality of active bands includes the reference band;
The plurality of active bands include a first active band, and the first active band includes a first long wavelength transmission filter and a first long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters. The method of claim 1, wherein the method is a difference.
種識別閾値を超える各ピクセルを誤報ピクセルとして記録する工程をさらに含み、
第2の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第2の長波長透過フィルターと前記参照長波長透過フィルターとの第2の差を含み、
対象気体と汚染気体とを識別する工程は、識別特徴パラメーターを前記種識別閾値と比較する工程を含み、前記識別特徴パラメーターは、比ΔL1st_active_band/ΔL2nd_active_bandであり、ΔL1st_active_bandは前記第1の活性帯域についてのΔLであり、ΔL2nd_active_bandは前記第2の活性帯域についてのΔLであり、ΔLは、前記複数の活性帯域のうちの1つの活性帯域で推定された背景放射輝度Loffと、気体の存在下で前記1つの活性帯域において検出された放射輝度Lonとの差であり、
警報条件の前記一覧は、気体閾値よりも大きな気体濃度・長を有する、誤報ピクセルではない各ピクセルをさらに含む、請求項4に記載の方法。 Further comprising: identifying a target gas and a contaminated gas; and recording each pixel that exceeds a species identification threshold as a false alarm pixel,
The second active band includes a second difference between a second long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters and the reference long wavelength transmission filter,
The step of discriminating between the target gas and the pollutant gas includes a step of comparing a discrimination feature parameter with the species discrimination threshold, wherein the discrimination feature parameter is a ratio ΔL 1st_active_band / ΔL 2nd_active_band , and ΔL 1st_active_band is the first activity. ΔL for the band, ΔL 2nd_active_band is ΔL for the second active band, and ΔL is the background radiance L off estimated in one of the plurality of active bands, and the gas The difference from the radiance L on detected in the one active band in the presence,
The method of claim 4, wherein the list of alarm conditions further includes each pixel that is not a false alarm pixel having a gas concentration / length greater than a gas threshold.
前記シミュレーションデータは、既知の大気温度、背景温度、背景反射性、及びプランクの法則からなる一覧から選択される少なくとも一要素に基づいて行われるシミュレーションに基づき、
前記実験測定データは、背景材料の反射率、背景材料の放射率、背景材料温度、大気温度、前記背景材料と前記大気の温度差、及び日光条件からなる一覧から選択される少なくとも一要素を測定することを含む実験測定に基づく、請求項3に記載の方法。 The machine learning is performed on at least one of simulation data and experimental measurement data;
The simulation data is based on a simulation performed based on at least one element selected from the list consisting of known atmospheric temperature, background temperature, background reflectivity, and Planck's law,
The experimental measurement data measures at least one element selected from the list consisting of reflectance of background material, emissivity of background material, background material temperature, atmospheric temperature, temperature difference between the background material and the atmosphere, and sunlight conditions. The method of claim 3, based on an experimental measurement comprising:
前記マルチスペクトル光学式気体撮像カメラに接続されたプロセッサーを含み、
前記プロセッサーは、
複数のピクセルを含む画像を読み取ること、
前記複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定すること、
前記画像及び前記背景放射輝度に基づいて前記複数のピクセルのうちの前記少なくとも1つの気体濃度・長を計算すること、及び
少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合、警報を発することを行い、
前記マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、前記対象気体の前記吸収波長範囲の少なくとも一部を含む活性帯域とを含み、
前記背景放射輝度を推定することは、
前記活性帯域の検出放射輝度を前記参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定すること、及び
前記モデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定することを含む、気体濃度・長定量システム。 A multi-spectral optical gas imaging camera, and a processor connected to the multi-spectral optical gas imaging camera,
The processor is
Reading an image containing multiple pixels,
Estimating a background radiance of at least one of the plurality of pixels;
Calculating the gas concentration / length of the at least one of the plurality of pixels based on the image and the background radiance; and if the gas concentration / length of at least one pixel exceeds a gas threshold level, an alarm is generated. To do
The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera includes a reference band that is outside an absorption wavelength range of a target gas and an active band that includes at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas;
Estimating the background radiance is:
Determining a model relating the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band; and using the model as a calibration model, the background radiance of the active band in the presence or absence of the target gas Gas concentration and length quantification system, including estimating
前記複数の活性帯域及び前記参照帯域は、活性帯域の数より1つ多い複数の長波長透過フィルターを用いて決定され、
前記複数の活性帯域のそれぞれは、前記参照帯域を含み、
前記複数の活性帯域は、第1の活性帯域を含み、前記第1の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第1の長波長透過フィルターと参照長波長透過フィルターの第1の差である、請求項12に記載のシステム。 The multispectral configuration includes a plurality of active bands;
The plurality of active bands and the reference band are determined using a plurality of long wavelength transmission filters, one more than the number of active bands,
Each of the plurality of active bands includes the reference band;
The plurality of active bands include a first active band, and the first active band includes a first long wavelength transmission filter and a first long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters. The system of claim 12, wherein the system is a difference.
対象気体と汚染気体とを識別すること、及び
種識別閾値を超える各ピクセルを誤報ピクセルとして記録することを行い、
第2の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第2の長波長透過フィルターと前記参照長波長透過フィルターとの第2の差を含み、
対象気体と汚染気体とを識別することは、識別特徴パラメーターを前記種識別閾値と比較することを含み、前記識別特徴パラメーターは、比ΔL1st_active_band/ΔL2nd_active_bandであり、ΔL1st_active_bandは前記第1の活性帯域についてのΔLであり、ΔL2nd_active_bandは前記第2の活性帯域についてのΔLであり、ΔLは、前記複数の活性帯域のうちの1つの活性帯域で推定された背景放射輝度Loffと、気体の存在下で前記1つの活性帯域において検出された放射輝度Lonとの差であり、
警報条件の一覧は、気体閾値よりも大きな気体濃度・長を有する、誤報ピクセルではない各ピクセルをさらに含む、請求項15に記載のシステム。 The processor further includes:
Identify the target gas and pollutant gas, and record each pixel that exceeds the species identification threshold as a false alarm pixel,
The second active band includes a second difference between a second long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters and the reference long wavelength transmission filter,
Discriminating between the target gas and the contaminated gas includes comparing an identification feature parameter to the species identification threshold, wherein the identification feature parameter is a ratio ΔL 1st_active_band / ΔL 2nd_active_band , where ΔL 1st_active_band is the first activity. ΔL for the band, ΔL 2nd_active_band is ΔL for the second active band, and ΔL is the background radiance L off estimated in one of the plurality of active bands, and the gas The difference from the radiance L on detected in the one active band in the presence,
The system of claim 15, wherein the list of alarm conditions further includes each pixel that is not a false alarm pixel having a gas concentration / length greater than a gas threshold.
前記シミュレーションデータは、既知の大気温度、背景温度、背景反射性、及びプランクの法則からなる一覧から選択される少なくとも一要素に基づいて行われるシミュレーションに基づき、
前記実験測定データは、背景材料の反射率、背景材料の放射率、背景材料温度、大気温度、前記背景材料と前記大気の温度差、及び日光条件からなる一覧から選択される少なくとも一要素を測定することを含む実験測定に基づく、請求項14に記載のシステム。 The machine learning is performed on at least one of simulation data and experimental measurement data;
The simulation data is based on a simulation performed based on at least one element selected from the list consisting of known atmospheric temperature, background temperature, background reflectivity, and Planck's law,
The experimental measurement data measures at least one element selected from the list consisting of reflectance of background material, emissivity of background material, background material temperature, atmospheric temperature, temperature difference between the background material and the atmosphere, and sunlight conditions. 15. The system of claim 14, based on an experimental measurement that includes:
複数のピクセルを含む画像を読み取り、
前記複数のピクセルのうちの少なくとも1つの背景放射輝度を推定し、
前記画像及び前記背景放射輝度に基づいて前記複数のピクセルのうちの前記少なくとも1つの気体濃度・長を計算し、かつ
少なくとも1つのピクセルの気体濃度・長が気体閾値レベルを超える場合、警報を発し、
前記マルチスペクトル光学式気体撮像カメラのマルチスペクトル構成は、対象気体の吸収波長範囲の外側にある参照帯域と、前記対象気体の前記吸収波長範囲の少なくとも一部を含む活性帯域とを含み、
前記背景放射輝度を推定することは、
前記活性帯域の検出放射輝度を前記参照帯域の検出放射輝度に関連付けるモデルを決定すること、及び
前記モデルを較正モデルとして用いて、対象気体の存在下、又は不存在下で活性帯域の背景放射輝度を推定することを含む、媒体。 A non-transitory computer readable medium having stored therein computer readable program code embodied therein, the computer readable program code comprising:
Read an image containing multiple pixels,
Estimating a background radiance of at least one of the plurality of pixels;
Calculate the gas concentration / length of the at least one of the plurality of pixels based on the image and the background radiance, and issue an alarm if the gas concentration / length of at least one pixel exceeds a gas threshold level ,
The multispectral configuration of the multispectral optical gas imaging camera includes a reference band that is outside an absorption wavelength range of a target gas and an active band that includes at least a portion of the absorption wavelength range of the target gas;
Estimating the background radiance is:
Determining a model relating the detected radiance of the active band to the detected radiance of the reference band; and using the model as a calibration model, the background radiance of the active band in the presence or absence of the target gas Including estimating the medium.
前記複数の活性帯域及び前記参照帯域は、活性帯域の数より1つ多い複数の長波長透過フィルターを用いて決定され、
前記複数の活性帯域のそれぞれは、前記参照帯域を含み、
前記複数の活性帯域は、第1の活性帯域を含み、前記第1の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第1の長波長透過フィルターと参照長波長透過フィルターの第1の差である、請求項18に記載の非一時的コンピューター可読媒体。 The multispectral configuration includes a plurality of active bands;
The plurality of active bands and the reference band are determined using a plurality of long wavelength transmission filters, one more than the number of active bands,
Each of the plurality of active bands includes the reference band;
The plurality of active bands include a first active band, and the first active band includes a first long wavelength transmission filter and a first long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters. The non-transitory computer readable medium of claim 18, wherein the difference is a difference.
対象気体と汚染気体とを識別し、かつ
種識別閾値を超える各ピクセルを誤報ピクセルとして記録し、
第2の活性帯域は、前記複数の長波長透過フィルターのうちの第2の長波長透過フィルターと前記参照長波長透過フィルターとの第2の差を含み、
対象気体と汚染気体とを識別することは、識別特徴パラメーターを前記種識別閾値と比較することを含み、前記識別特徴パラメーターは、比ΔL1st_active_band/ΔL2nd_active_bandであり、ΔL1st_active_bandは前記第1の活性帯域についてのΔLであり、ΔL2nd_active_bandは前記第2の活性帯域についてのΔLであり、ΔLは、前記複数の活性帯域のうちの1つの活性帯域で推定された背景放射輝度Loffと、気体の存在下で前記1つの活性帯域において検出された放射輝度Lonとの差であり、
警報条件の一覧は、気体閾値よりも大きな気体濃度・長を有する、誤報ピクセルではない各ピクセルをさらに含む、請求項21に記載の非一時的コンピューター可読媒体。 The program code further includes:
Each pixel that distinguishes the target gas from the pollutant gas and exceeds the species identification threshold is recorded as a false alarm pixel,
The second active band includes a second difference between a second long wavelength transmission filter of the plurality of long wavelength transmission filters and the reference long wavelength transmission filter,
Discriminating between the target gas and the contaminated gas includes comparing an identification feature parameter to the species identification threshold, wherein the identification feature parameter is a ratio ΔL 1st_active_band / ΔL 2nd_active_band , where ΔL 1st_active_band is the first activity. ΔL for the band, ΔL 2nd_active_band is ΔL for the second active band, and ΔL is the background radiance L off estimated in one of the plurality of active bands, and the gas The difference from the radiance L on detected in the one active band in the presence,
The non-transitory computer readable medium of claim 21, wherein the list of alarm conditions further includes each pixel that is not a false alarm pixel having a gas concentration / length greater than a gas threshold.
前記シミュレーションデータは、既知の大気温度、背景温度、背景反射性、及びプランクの法則からなる一覧から選択される少なくとも一要素に基づいて行われるシミュレーションに基づき、
前記実験測定データは、背景材料の反射率、背景材料の放射率、背景材料温度、大気温度、前記背景材料と前記大気の温度差、及び日光条件からなる一覧から選択される少なくとも一要素を測定することを含む実験測定に基づく、請求項20に記載の非一時的コンピューター可読媒体。 The machine learning is performed on at least one of simulation data and experimental measurement data;
The simulation data is based on a simulation performed based on at least one element selected from the list consisting of known atmospheric temperature, background temperature, background reflectivity, and Planck's law,
The experimental measurement data measures at least one element selected from the list consisting of reflectance of background material, emissivity of background material, background material temperature, atmospheric temperature, temperature difference between the background material and the atmosphere, and sunlight conditions. 21. The non-transitory computer readable medium of claim 20, based on an experimental measurement comprising:
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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